[发明专利]光电测距仪及距离测量方法

说明书

光电测距仪及距离测量方法。本发明涉及光电测距仪(1)和距离测量方法，其中，借助于以脉冲速率发射的辐射脉冲(12、13)基于行进时间来测量到目标(100)的距离。借助于采样对所接收的辐射脉冲(13)进行数字化，其中，根据脉冲速率(P、22)来设置采样速率(S)，其中，基于对多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样而生成数字化信号(13D)。

技术领域

本发明涉及一种光电测距仪以及用于距离测量的方法。

背景技术

在电子和/或光电距离测量领域中已知多种原理和方法。一种方法是朝向要确定到其的距离的待测量目标发射脉冲电磁辐射，例如激光，并且随后从作为反向散射对象的该目标接收回波。为了使得目标对象上用于测量的点可识别，在这种情况下可以使用可见光。通过光敏元件在装置中将反射的光辐射转换成电信号。在这种情况下，用于射束形成、偏转、滤波等的光学部件-例如透镜、波长滤波器、反射镜等-通常位于光发射和/或接收路径中。

例如，可以基于脉冲的行进时间(runtime)或发射模式和/或调制周期内脉冲的相位来确定到要测量的目标的距离。这种激光测距仪现在已经作为许多领域中的标准解决方案而变得广泛，例如在大地测量或工业勘测领域，例如以全站仪、激光扫描器、EDM或激光跟踪器的形式。由于光辐射在自由空间中的传播速度较高，因此为了实现对应高准确度的距离测量，对针对距离测量的时间分辨率能力的要求相当高。例如，在进行典型的距离测量时，对于1mm或显著更小的距离分辨率需要具有至少大约6.6ps的准确度的时间分辨率。

为了拥有尽可能清晰的接收信号，期望有尽可能高的输出功率，因此可以精确地对其进行分析。然而，对于这里讨论的光电装置，关于可以发射的信号功率预先确定了极限。因此，在发射激光的情况下，眼睛的安全性确定了可以发射的最大允许平均信号功率。尽管如此，为了获得接收器可以检测到的足够强的信号强度以用于测量，因此优选使用脉冲操作。发射具有高峰值功率的短脉冲，随后暂停而不发射信号。因此，脉冲的反射分量具有足够高的强度，以能够根据背景干扰和噪声，尤其是在存在背景光(阳光、人工照明等)时，以高信噪比对它们进行评估。

具有与系统同步的高峰值功率的脉冲或调制序列的已知光源例如是与光放大器结合的电子脉冲激光二极管或超辐射发光二极管。所有这些光源的缺点在于，脉冲长达数百皮秒，并且在对粗糙的自然表面进行测量的情况下，由于空间和色彩不规则性而生成通常为0.1mm至2mm的距离测量误差。

已知品质切换(调Q)固态激光器，其具有高达200ps范围的相当短的脉冲和几兆赫的脉冲速率。相反，一个缺点是脉冲速率的按时间顺序(chronological)的噪声，这通常是脉冲间隔的1％至5％。在精确的距离测量系统中处理这种不规则性需要复杂的装置和对应需求的分析方法。

具有稳定频率梳激光器的测距仪在使用脉冲操作的干涉式距离测量领域中也是已知的，例如从DE 10 2009 012 646 A1中已知。这些测距仪包括用于高精度距离测量(ppm准确度)的可调谐谐振器，以稳定脉冲速率或脉冲频率(通常在100fs左右的脉冲长度)，从而以ppm准确度对其进行调节，并且其CEP(载波包络相位)稳定。这种稳定实现了光波长和相位的一致性。然而，这种装置和/或方法也具有高复杂性和伴随此的高生产、使用和维护费用的缺点。

为了确定信号的行进时间，一方面已知所谓的相位测量原理，其通过比较发射信号与接收信号的幅度调制的相位来确定信号行进时间。

另一方面，已知所谓的飞行时间(TOF)法，其确定光脉冲的发射与接收之间的时间，其中，基于脉冲形式的侧边、峰值或另一特征来执行时间测量。在这种情况下，脉冲形式被理解为接收信号的按时间顺序的光强度曲线，特别是由光敏元件获取的接收光脉冲的按时间顺序的光强度曲线。在这种情况下，可以基于施加到发射器的信号的电触发脉冲或者基于上述的参考信号来确定发射的时间点。